精密锻造技术的研究现状及发展趋势(三)

精密锻造技术的研究现状及发展趋势(三)

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精密锻造技术的研究现状及发展趋势(三)

2020-12-07

5、精密锻造工艺优化

无论是正向模拟还是反向模拟,都可归结为利用数值模拟技术进行设计结果验证的试错法。其基本思路仍与传统的试错法一样,只不过所用的验证手段不同,对不合理设计的修改还需要由设计者根据经验提出,设计过程的自动化程度还很低。为了提高精密锻造工艺和模具设计的效率和可靠性,近年来国内外学者对精密锻造过程工艺与模具的优化设计进行了大量研究,并取得了较大进展。

精密锻造过程工艺与模具的优化设计,一般以工艺参数或模具的形状为设计变量,以工件的形状或物理性能为目标函数,以有限元法方法为目标函数的计算器。采用高效的优化算法,实现工艺参数与模具形状的自动优化。目前,常用到的优化方法包括:基于梯度的灵敏度分析优化算法,以及基于全局寻优的遗传算法。

5.1灵敏度分析法

基于灵敏度分析的优化方法将精密锻造过程的预成形设计和模具设计问题处理为优化问题,用严密的数学公式进行描述,将优化问题的目标函数定义为一组给定设计变量中所希望的最终状态和数值计算状态之间的误差的某种程度。


灵敏度分析的方法需要计算目标函数对预成形参数的灵敏度信息(导数),然后采用高效的优化算法进行优化设计。Zabar as等对灵敏度方法在锻造成形工艺优化中的应用进行研究,采用该方法进行了预成型形状、模具设计、零件的微观组织等多个问题进行了研究。

赵国群等以实际终锻件形状与理想终锻件形状不重合区域的面积作为目标函数,以预成形模具的B样条控制点作为优化设计变量,对预锻模具的形状进行了优化。将灵敏度分析法推广到了锻造过程的微观组织方面,以减小整个锻件上平均晶粒尺寸的平均值为目标,提出了一种基于灵敏度分析的用于优化锻造过程中微观组织的新算法。

灵敏度分析的优化方法效率高、收敛快,在锻造工艺和模具优化设计中得到了广泛的应用,并取得了很好的效果。由于灵敏度分析方法,需要用严密的数学公式对优化模型进行描述,并求解计算目标函数对预成形参数的灵敏度信息。对于三维复杂的锻造过程来说,计算过程异常复杂,给程序设计带来困难,同时也降低了计算的效率。因此,目前灵敏度分析的优化方法主要应用于平面和轴对称问题的分析。

5.2微观遗传算法

遗传算法是一种全局优化算法,它借鉴生物界自然选择和进化机制发展起来的高度并行、随机、自适应搜索算法,它通过自然选择、遗传、变异等作用机制,实现了各个个体的适应性的提高,并逐步使种群进化到包含近似最优解的状态。


遗传算法仍属随机型算法范畴,与多数随机型方法不同的是,它仅搜索那些最有可能找到优化方案的局部区域,效率较高。由于精密锻造过程的优化的目标函数,通过有限元模拟进行求解,效率很低。因此,一般选择群体规模较少的微观遗传算法作为优化算法。

罗仁平等采用微观遗传算法对平面应变方坯镦粗和轴对称H型截面零件的锻造进行了预成形优化设计;管婧以锻件形状和锻件微观组织分布均匀性为优化目标,采用微观遗传算法对锻造成形过程进行多目标优化研究,取得了良好的效果。遗传算法稳定性、可收敛性强,对问题的复杂程度不敏感,理论上可以用于任何的精密锻造工艺与模具的优化设计。

由于其收敛速度慢,而优化的目标函数求解困难、效率低,造成了优化过程的计算时间过长,影响了其在工程实践中的应用。两种算法的比较来看,基于灵敏度的优化方法比遗传算法收敛快,但是程序设计复杂。灵敏度的优化方法对模型的复杂程度比较敏感,因此在模型简单、明确时选用基于灵敏度的优化方法,模型复杂、不明确是选用遗传算法。


6精密锻造发展趋势的展望

精密锻造成形作为一种高效、节材的加工方法受到越来越多企业的重视,随着制造业的飞速发展,以及制造业企业市场竞争的日趋剧烈,企业对于精密锻造工艺的要求越来越高,也对精密锻造成形技术的研究提出了新的挑战,未来对于精密锻造成形的研究主要包括如下几个方面。

6.1工件质量的进一步提高

为了进一步降低成本,目前精密锻造成形已经由精化毛坯的准净成形向直接生产零件的净成形发展。提高工件的尺寸精度是精密锻造成形工艺研究的重点方向,研究的内容主要包括如下几个方面。

1)锻造系统的弹性补偿。精密锻造过程中,变形抗力较大,模具、设备和以及工件本身不可避免的发生弹性变形,并直接影响锻件的精度。对整个锻造系统的弹性补偿是进一步提高精密锻造成形精度的关键问题,也是一个难点问题。

2)复合工艺方法的开发。随着成形零件工艺要求的不断提高,单一的精密锻造很难满足要求,这就需要开发复合成形工艺,将不同温度或不同工艺方法的精密成形工艺结合起来,取长补短共同完成一个零件的加工制造,提高精密成形工艺的加工精度和应用范围。

6.2多元化材料的应用

随着制造业的发展,材料应用由传统的黑色金属向多元化材料发展。例如在汽车、航天、能源领域大量应用各种高强度的合金钢和特殊材料,如钛合金等;在高速列车、大型飞机等制造领域,大量应用性能质量比较高的轻质合金,如铝合金、镁合金等。特种材料的精密成形是今后精密锻造成形的研究热点。

6.3多尺度工件的加工

随着制造业的发展,机械零件向着极端化方向发展。例如近年来,以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机电系统,受到人们的高度重视,精密仪器、生物医疗等领域广泛应用,而由于“尺寸效应”的影响,关于微塑性成形技术的研究已经成为各国学者关注的焦点和学科的前沿。同样由于国家建设的需要,近年来出现了大量的大型机械零件,它们的精密锻造成形也是研究的热点问题。

6.4设计周期的缩短

随着经济全球化的进一步发展,制造业企业的竞争日趋激烈,产品更新换代速度加快,要求企业缩短产品的设计、制造周期,对于精密锻造成形也是一样。提高精密成形工艺的设计效率主要依靠先进的CAD CAM CAE系统, 以及智能化的工艺优化设计系统。CAD CAM CAE技术及其在精密锻造成形中的应用已经相对成熟,而智能化的工艺优化设计系统,目前处于研究和探索阶段,是今后研究的主要方向。

加工变形,拉伸强度会大幅提高、冲击值会大大降低。奥氏体不锈钢在冷加工时容易产生上述缺陷。有晶间腐蚀的钢,稍受力即沿晶界开裂或粉碎开裂,晶间腐蚀后进行了弯曲试验,弯曲部分未出现上述现象,说明热煨后的组织结构得到充分软化,并具有很好的延展性,其应力也得到了很好的消除。

在感应热煨过程中,由于在碳化铬最容易产生的450~870℃范围内加热、冷却时保持的时间非常短,使处于固溶状态的不锈钢组织来不及析出碳化铬。另外,加热温度达到了1050~1150℃,加热后急速冷却,和固溶处理的条件相似,不会发生晶间腐蚀现象,上述结果也证明了这一结论。

3结论

采用感应加热技术弯曲变形加工,在极短的时间(约几十秒左右)内将处于固溶状态的奥氏体不锈钢加热到1050~1150℃,并急速冷却,各项力学性能和组织没有发生太大的变化,直接使用不会发生晶间腐蚀或者晶界断裂现象,可以不进行固溶或消除应力等处理。


由于感应加热时间非常短,致使感应热煨加工的弯管表面氧化层很薄,非常容易进行酸洗。而且由于感应加热径向加热温度均匀,使热煨后弯管各部分的性能相差很小。采用感应加热技术,管内不会出现由于填沙等造成的异物附着现象,具有良好的外观和形状。



作者:王忠雷 赵国群(1.山东大学模具工程技术研究中心,济南250061;2.山东建筑大学机电工程学院,济南250101)


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